瀝青混凝土類別與設計粒料結構

顆粒大小與級配

粒料的「級配(gradation)」乃指顆粒大小分佈的狀況，以體積百分比表示顆粒大小分佈的狀況雖較合理，但因求算不容易，一般皆以重量百分比表示，設若各種顆粒大小粒料之比重相近，以重量百分比或以體積百分比表示顆粒大小分佈的狀況是相同的。級配乃由篩分析試驗而得，亦即將不同孔徑之篩網疊在一起，大孔徑置於上面，將粒料置於其上，如圖1所示，經篩分成各部份後，分別稱得留在各篩網上的粒料重量，即可求得該粒料的級配，通常以「過篩百分比」表示。

圖1、篩分析示意圖

常用於瀝青混凝土之美國標準篩如表1所示，3/8英吋篩表示該方孔篩網之網目開口大小為3/8英吋，而8號篩乃指該篩網每一英吋有8個開口，因為尚需考慮網線之直徑，8號篩的網目開口一定小於1/8英吋，標準全篩連續兩篩號間之網目開口差異通常為二倍，以便將網目開口繪於對數座標軸上時，相鄰兩篩間的距離約略相等。粒料的級配狀況，一般皆以將各篩之過篩百分比繪製於橫座標為網目開口之對數，而縱座標為過篩百分比之圖上，如圖2所示[1]，在此圖中，平滑連續的曲線表示顆粒大小分佈均勻，稱為密級配或良好級配，如圖2偏左的曲線所示，含有中間平台的曲線表示缺少平台部份的顆粒，稱為跳躍級配(Gap-graded)，國內慣稱為「越級配」，如圖2偏右的曲線所示，而圖2中間由高點急降至低點的曲線代表粒料顆粒相當集中在某粒徑範圍內(本例中在1/2英吋與4號篩間)，稱為均勻級配或開放級配(Open-graded)。

表1、瀝青混凝土採用之標準方孔篩之稱號與孔徑

圖2、三種不同的粒料級配曲線[1]

瀝青混凝土中粒料的級配可能是最重要的品質恃性，幾乎所有瀝青混凝土的重要性質如穩定性、勁度、耐久性、透水性、工作性、抗疲勞性、抗滑性、甚至抗水份侵害能力，都受到粒料級配的影響，因此，粒料級配不僅為配比設計時的主要考慮項目，也是各工程單位執行瀝青混凝土的品質控制時，最重要的一項管制項目。

許多研究人員曾對會有最大密度的「理想級配」進行探討，其中最有名的是由Fuller與Thompson提出的富氏最大密度曲線方程式[2]：

理論上，使粒料顆粒堆疊最緊密的級配，應使顆粒間空隙(Voids in Mineral Aggregate, VMA)降至最低，且顆粒間緊密接觸而使穩定性最高，應是最理想的級配，但瀝青混凝土的耐久性必需依靠足夠的瀝青膠泥來達成，所以要有足夠的VMA來容納夠多的瀝青膠泥，且因瀝青會因溫度變化而產生漲縮，若沒有適當的空隙以供其漲縮，則有發生冒油或車轍的可能性，若再考慮最緊密的級配對瀝青含量的變化較為敏感等缺點，使粒料顆粒堆疊最緊密的級配，並不適用於瀝青混凝土中。

在1960年代早期，美國聯邦州公路局提出的級配曲線圖乃以富氏曲線為基礎，但將n值改為0.45，應用該圖表很容易求得最大密度曲線的位置，並將選擇級配繪於此圖上，據以調整選擇適當的級配，使用此圖時，只要將粒料之標稱最大粒徑之過篩百分比與左下角的原點連接，即為最大密度曲線，而此所謂粒料之標稱最大粒徑，乃指有殘留任何顆粒之最大篩，圖3為美國聯邦州公路局提供之0.45次方最大密度級配曲線圖，圖上繪出一系列的最大密度曲線。

圖3、美國聯邦州公路局提供之0.45次方最大密度曲線繪製圖[2]

為使瀝青混凝土具有足夠的粒料間空隙，以符合耐久性的要求，選擇的級配應稍微偏離最大密度曲線，大部份工程單位規定瀝青混凝土的級配應偏離最大密度曲線，且在中間部份，應大致上與最大密度曲線平行，也就是在最大密度曲線之上方或下方，圖4為美國加州最有名的路面工程師Hveem於1940年提出用以選擇適當密級配的圖，圖中由四條虛曲線間的實線區域為較好的密級配範圍，四條虛曲線外的狀況分別為級配過細、粗料過多、細料過多、及細料過少等如圖4所示[2]。

圖4、熱拌瀝青混凝土的級配界限及超出界限外可能產生的問題[2]

一般以標稱最大粒徑作為代表混合料級配之代號，例如ASTM D3515為密級配瀝青混凝土之級配範圍規定，如表2所示，表中標稱最大粒徑最大為2英吋，該種密級配之過2英吋篩之規定範圍為90~100，即第一個留篩超過10%的篩為1.5英吋篩，比1.5英吋篩大一號的篩為2英吋篩，故該混合粒料之標稱最大粒徑為2英吋。以往的經驗顯示標稱最大粒徑超過鋪築厚度的一半時，會出現很難滾壓的狀況，每一滾壓層之厚度必需至少大於標稱最大粒徑旳兩倍，才會有良好的滾壓效果，最近的研究甚致主張鋪築厚度最好是混合料標稱最大粒徑旳三至四倍。

表2、ASTM D3515-89所列之密級配規範[3]

表2中共八種密級配，較常用者為3/4”、1/2”、及3/8”三種，因為標稱最大粒徑大於或等於1英吋時，拌成的瀝青混凝土顯得太乾硬，很容易產生粒料析離的現象施工不易而不受歡迎，而No. 4及No.16兩種密級配又分別叫作砂瀝青(Sand Asphalt, No.4)及片瀝青(Sheet Asphalt, No.16)，為20世紀初期尚未有良好鋪築機具前較常使用的混合料，雖因細料較多，很容易施工並鋪平，但較細密級配之抗剪力不足，面對重交通輾壓時很容易出現車轍變形。

依級配區分的瀝青混凝土類別

熱拌瀝青混凝土依粒料之級配狀況，可區分為密級配(Dense Grade) 、開放級配(Open Grade) 、與跳躍級配(Gap Grade)三種[4]，組成的瀝青混凝土試體切面如圖5所示。一般用於柔性路面面層者為密級配，密級配粒料顆粒大小連續分佈不中斷，組成之瀝青混凝土密合、孔隙低、不透水，具有強度高且能保護底層材料不受水份侵害等優點，應用範圍最廣，一般所稱HMA皆指密級配瀝青混凝土。密級配HMA之標稱最大粒徑通常小於25.4mm，由粗、細粒料、填縫料、及瀝青膠泥組成，若標稱最大粒徑大於25.4mm時，則稱為大粒徑密級配瀝青混凝土(Large-Stone Mix) ；而同樣為密級配但不含粗粒料，或100%通過9.5mm(3/8in.)篩之混合料，則稱為瀝青砂(Sand Mix)。

圖5、三種不同瀝青混凝土的組成與試體切面比較

一般密級配瀝青混凝土的單層鋪築厚度為混合料的標稱最大粒徑的四倍，若是細的密級配則可以放寬為三倍，以往有一說是「最大尺寸的二倍」不能應用在以標稱最大粒徑(NMAS)定義的級配，否則可能導致鋪面成效不佳的後果(2014 AI MS-2 第3章)。深強瀝青鋪面結構(可參「鋪面工程概論」)有較厚的瀝青混凝土層，一般從上至下可分為三層依序稱為面層、聯結層、及底層，面層混合料必需設計成有較高穩定性及耐久性，以便能承載預期的交通荷重和空氣、水、溫度改變產生的負面影響；一般而言，面層混合料的瀝青含量高於聯結層或底層混合料，因為相較之下面層混合料的最大粒徑較小表面積較多且組成級配的VMA較大(註：近來發展的所謂「美國的長壽鋪面設計概念(Perpetual Pavement) 」也建議設計厚的瀝青混凝土層，區分面層、聯結層、及底層三層設計時，底層也用瀝青含量較高的材料，以對抗傳統疲勞開裂)。NMAS是指比第一個留篩超過10%的篩大一號的篩子尺寸，MAS則是比NMAS大一號的篩子尺寸。面層混合料的NMAS一般在9.5mm至19mm之間，依據想要的表面紋理粗細而選定，NMAS較小者表面紋理較細平。

開放級配瀝青混凝土乃指粒料主要由粗粒料組成，幾乎不含細粒料，此種瀝青混凝土之粒料架構因沒有細料填充而很「開放」，即空隙率很高、透水性強、表面粗糙，可提供良好的摩擦力，尤其在雨天時，可導引雨水於顆粒間流通而減少表面之水膜量，可防止輪胎打滑，並使行車時濺起的水氣量降低，增進雨天行車之安全性，國內高速公路路面之最上層即設計約1.5公分厚的開放級配瀝青混凝土，稱為開放級配磨擦層(Open-Graded Friction Course, OGFC)，近來有部份單位嚐試由日本引進所謂排水性瀝青，即為此種設計，並將厚度增加，以使排水能力增強。OGFC內部不能有水滯留是相當重要的原則。由於OGFC的表面紋理粗糙，能提高輪胎與鋪面之間的摩擦力而抗滑，也能降低鋪面噪音，NMAS在9.5mm至12.5mm之間，且用較少細粒料，相較之下，OGFC有較高瀝青含量，一般鋪築厚度是NMAS的二倍到三倍。這層面層主要用來讓鋪面表面水快速排開而對鋪面整體結構承載力的貢獻較少。若有需要加鋪厚度時，要先將舊的OGFC移除，不能直接加鋪在舊的OGFC上。

至於跳躍級配瀝青混凝土之應用，則起源於德國，並大量用於歐洲各國，以所謂石膠泥瀝青(Stone Mastic Asphalt, 或Stone Matrix Asphalt, 簡稱為SMA) ，應用於高承載之路面以抵抗車轍之發生，此種瀝青混凝土的粒料不含中粒徑砂(越過中粒徑砂)，以約70%的粗粒料組成主架構，且以細砂、填縫料、和高瀝青含量，組成膠漿(mastic)充滿粗粒料主架構間的空隙，鋪築完成的SMA路面，空隙率甚至較密級配低(6%以下) 。由粗粒料組成的主架構非常穩定，有相當良好的抗變形能力，而高瀝青量於粒料間形成較一般密級配厚的瀝青膜，使此種路面有較好的抗疲勞、抗老化、與抗剝脫能力。近年來鋪面工程師面對交通荷重特別大的路段或是常發生推擠車轍的十字路口，喜歡用這種NMAS在9.5~12.5mm的特殊越級瀝青混凝土，用較多的粗粒料的點對點的契合接觸產生高抗變形力，並且使用相對高的瀝青含量(常用改質瀝青)以確保耐久性，為了防止高瀝青含量在施工時的高溫下流失，又添加較多礦物填料和纖級與瀝青拌成膠漿，故稱為石膠泥瀝青混凝土；SMA的設計空隙率和一般密級配相似，除了有較高的承載力抗變形外，SMA鋪面也有降噪及雨天水膜的效果。(詳參「 SMA: 越級配瀝青混合料」及「廢輪胎橡膠使石膠泥瀝青混合料成為環保材料」)

開放級配與跳躍級配瀝青混凝土，在拌合完成至鋪到路面上的運送期間，因瀝青膠泥處於高溫狀態而黏度較低，很容易由粒料表面流失到裝運卡車底部，而產生嚴重的材料分離狀況，必需使用改質瀝青或添加纖維材料，使瀝青膜在施工溫度的視黏度增加以防止瀝青流失，尤其是含高瀝青量的SMA，必需以「抑制垂流性」較佳的纖維，使SMA能穩定而不流失瀝青地鋪築於路面上，這兩種瀝青混凝土在鋪面結構設計的角色與常用的密級配瀝青混凝土不同，前者為高空隙率的功能性表層，後者則為低空隙不透水，專為增強結構面層承載力。

聯結層混合料(Binder Mixes)是指介在面層與底層之間的瀝青混合料，有上面的面層保護聯結層可用較大的NMAS，一般在19~38mm之間，並搭配較低瀝青含量；聯結層與底層混合料(Base Mixes)也常混用不區分，在有較重交通荷重而不在乎表面粗紋理的區域，例如碼頭貨櫃場鋪面，可以直接用一般聯結層混合料做為面層，較大的粒料顆粒有助於對抗這些鋪面承受的貨車輾壓、重機具扭轉煞停等表面推擠作用。瀝青底層則直接鋪在夯實的碎石底層上，可用更大的粒徑(75mm)，瀝青含量也因表面積變小而再降低些，但底層混合料的設計空隙率一般比其上的層再低些，以便能確保有足夠的瀝青膠泥來對抗荷重時從瀝青層底部發生的張應變。

底層混合料也可以採用開放級配以便使滲入鋪面結構中的水有機會排出，可以減少鋪面結構層含水產生的交通荷重與水共同侵害作用；這種開放級配瀝青底層稱為瀝青處理透水層(Asphalt Treated Permeable Base, ATPB)，用100%最大粒徑在38~75mm的碎石來提供層中連續空隙，使用這種鋪面底層要確保整體鋪面結構有正向自由排水坡度才行[6]，否則反成為鋪面結構中的積水層而損及整體鋪面結構。

超級鋪面的粒料級配

前述級配觀念在Superpave的粒料結構設計中有些微的改變，Superpave將原用的0.45次方級配圖之繪製方法重新定義，將橫座標之篩號直接以該號之孔徑(以毫米為單位)取0.45次方後，用線性座標點繪，如圖6所示，對於粒徑則沿用表1之標準篩，但一律改為公制之稱號，並定義所謂最大粒徑及標稱最大粒徑如下：

• 最大粒徑(Maximum Aggregate Size, MAS)：比標稱最大粒徑大一個篩號的篩子孔徑。
• 標稱最大粒徑(Nominal Maximum Aggregate Size, NMAS)：比第一個留篩超過10%的篩子大一號的篩子孔徑。

圖6、Superpave建議之級配曲線座標軸繪製方式[3]

經整理以往路面工程界之經驗，使用四個篩號的過篩百分比範圍作為控制點(control point)，這四個篩子由大至小分別為：最大粒徑篩、標稱最大粒徑篩、2.36mm篩(No. 8篩)、及0.075mm篩(No. 200篩)，混合粒料之級配曲線必需通過這些控制點包圍的區域，而且定義禁區(Restriction Zone)，此禁區為沿最大密度曲線，由4.75mm篩或2.36mm篩開始，至0.3mm篩之間，上下各3%或2%過篩百分比的範圍內，如圖7所示，若混合料的級配曲線通過此禁區，即為路面工程界以往稱的隆起級配(humped gradation)，依照過去的經驗此種級配對其所有的砂量而言，其相對的中粒徑砂(1.18mm附近)量過高，此種混合料有施工時不易滾壓、開放交通後抗變形能力低、形成較弱的粒料主架構，必須過份依靠瀝青膠泥的勁度(stiffness)來提供剪力強度等缺點，在以往文獻上也稱為脆弱級配(tender mix)，而且這種級配對瀝青含量的變異很敏感，很容易因瀝青含量稍許增加即產生塑性流動，SHRP研究群因此建議粒料之級配曲線不要落入此禁區之中。Superpave 級配規範依標稱最大粒徑分為五種，如表3所示，其中標稱最大粒徑為25mm及37.5mm兩種級配之禁區由4.75mm開始定義，其它三種級配之禁區則由2.36mm開始定義。

圖7、Superpave繪製級配曲線的方法及控制點和禁區[3]

表3、SUPERPAVE級配規範[3, 6]

將表3與表2比較，可知Superpave之級配規範比之ASTM D3515的規定少了50mm、4.75mm、及1.18mm三種級配，前者因粒徑過大而較少採用，後兩者則因粒徑太小而有強度不足的顧慮，表3中的控制點部份與表2中的範圍相符，若以兩規範之19mm密級配為例，ASTM D3515除了規定控制點四個篩的過篩百分比範圍外，也多規定了3/8"、#4、#50三個篩的過篩百分比。這不意味熱拌廠的品控可有較大的級配變異範圍，熱拌廠品控不是引用像表3這樣的「設計規範」而是依據配比設計完成後提出的工作拌合公式(Job Mix Formula, JMF)，JMF必需列出每個規定篩的過篩百分比，這裡稱的每個規定篩依各地經驗不同，篩數較接近表1或是表2。

依Superpave建議之方法繪製級配曲線如圖8所示，由圖8可知ASTM D3515規範帶通過Superpave之控制點，細料部份約略平均分佈於最大密度曲線之兩側，若改用Superpave 規範，3/8"、#4、#50三個篩的過篩百分比不受限制，但須避開圖中的禁區，無論曲線由禁區上方越過，或由禁區下方避過，都有將原級配中粒徑在2.36mm至0.300mm部份的量降低的相同效果[5, 6]，SHRP研究人員並曾建議儘量由下方避過，使整個曲線類似S型，與屬於跳躍級配(或稱越級配)之石膠泥瀝青(Stone Mastic Asphalt，簡稱為SMA)的級配曲線類似，這樣的密級配將使中粒徑砂量有效地降低。

(近幾年經NCAT測試道「實際用看看」的成效佐證後，特別是對所謂「粒料共同性質規定」的解除，包括破裂面及扁長顆粒、解除禁區、細密級配也不錯等新證據，很值得我們採行。詳參「NCAT測試道路的主要成果」)

圖8、Superpave級配規範與ASTM D3515級配規之比較(標稱最大粒徑19mm)[5]

設計粒料結構

在實驗室設計瀝青混合料的配合比，最重要的是分析該混合料在鋪面結構中的可能成效，無論是採用哪一種設計方法，都要求出下列五頊影響混合料性質的體積特徵(Volumetrics)並進行分析[6]。密度、空隙率、粒料間空隙、空隙填滿瀝青百分比、及瀝青含量。在設計密級配瀝青混合料時，最常碰到的問題是粒料間空隙無法符合規定，粒料間空隙不足嚴重影響耐久性及抗變形能力(詳參作者另文掌控瀝青混凝土的體積特徵提昇鋪面品質)，以往經驗顯示遇到這種問題時常需重新進行配比設計，耗力又費時。

2014年的AI MS-2建議[7]除了加強確保粒料的品質符合規範外(特別是避免粒形不佳的粒料)，應該在配比設計時增加所謂選擇「設計粒料結構(Design Aggregate Structure, DAS)」的程序，所謂選擇DAS是指計算調配數種符合粒料級配規範的粒料組成，例如三種符合規範的「試拌級配(Trial Blend, TB)」，用同一個試拌瀝青含量依規定方法，每種試拌級配拌製二個混合料試樣，一個鬆散冷卻後用以求得理論最大密度(Gmm)，另一個夯製成試體求得密度(Gmb)，藉以計算分析不同試拌級配結構的體積特徵(空隙率Va、粒料間空隙VMA等)，據以選定符合混合料體積特徵的較佳粒料架構後，再用至少五種不同的瀝青含量拌製試體進行後續的體積特徵分析、抗水侵害能力及需要的成效試驗，較精準地選擇最佳瀝青含量。(可參「超級鋪面(Superpave)配比設計法」)

依照AI MS-2第5章所述的選擇設計粒料結構(DAS)共12個步驟(4, 5, 6, 及12是超級鋪面法才需要的步驟)分述如下[7]：

1. 在組成材料皆符合規範規定之前題下，計算調配數種符合粒料級配規範的粒料組成，並依據不同組成計算各試拌級配的比重(Gsb)；
2. 用試拌瀝青含量(Pb，此時粒料占比Ps為100-Pb)依規定方法，每種試拌級配拌製二個混合料試樣，一個鬆散冷卻後用以求得Gmm initial, 另一個夯製成試體求得Gmb initial, 用Gmm initial和Gmb initial計算Pa,initial (試拌級配的空隙率，也就是Vainitial)；
   
   
   
3. 計算試拌級配的粒料間空隙(VMA initial)；
   
   
   
4. 計算%Gmm@Ndes
5. 計算Gmb@Nini的修正因子
6. 計算Gmb@Nini
7. 計算Pb, estimate (即用設計空隙率為4%預估各試拌級配的設計瀝青含量)；
   
   此式中的係數0.4是由以往的混合料空隙率與瀝青含量關係曲線的斜率，代表每0.4%含油量變化產生1%空隙率改變。
8. 計算VMA, estimated (即預估各試拌級配在最佳瀝青含量的VMA)；
   
   式中的C值為經驗值，依試拌級配的空隙率Pa,initial (亦即Vainitial)選定，若Pa,initial大於4.0 則C選為0.2，若若Pa,initial小於4.0 則C選為0.1。
9. 計算VFA, estimated (即預估各試拌級配的VFA)；
   
   
   
10. 計算Pbe, estimated (即預估各試拌級配的有效瀝青含量)；
    
    
    
11. 計算粉比例 DP(即預估各試拌級配的粉比例)；
    
    
    
12. 計算預估初始轉速時的%Gmm

後記

2024年6月作者邀請美國瀝青科技中心主任Dr. Randy West來臺進行技術交流，發表三場主題演講，介紹瀝青混凝土近20年來的新技術與成果，敬請讀者參閱：

瀝青混凝土成效試驗與平衡式配比設計

美國瀝青科技中心對橡膠瀝青及橡膠改質瀝青的經驗

NCAT測試道路的主要成果

參考文獻

1. W. F. Chen, editor-in-chief, The Civil Engineer Handbook, Chapter 43 Bituminous Materials and Mixtures by Jesus Larralde and Mang Tia.
2. 林永吉，降低路面工程砂石用量策略之可行性研究—改進砂石製程及採全厚度瀝青路面設計，中華工學院碩士論文，中華民國八十六年七月。
3. Background of Superpave Asphalt Mixture Design and Analysis, National Asphalt Training Center Demonstration Project 101, Publication No. FHWA-SA-95-003, February 1995.
4. 邱垂德、林永吉「路面工程砂石缺貨、節流有道」，營建知訊，第174期，財團法人臺灣營建研究院，頁38~56，民國86年7月。
5. 邱垂德，「國內瀝青混凝土粒料級配之探討」，中華民國第九屆鋪面工程學術研討會論文集，頁31~41，民國86年8月。
6. The Asphalt Institute, Asphalt Mix Design Methods, Manual Series No. 2 (MS-2), 7th edition, 2014, Chapter 3.
7. The Asphalt Institute, Asphalt Mix Design Methods, Manual Series No. 2 (MS-2), 7th edition, 2014, Chapter 5.